用于获得糖衍生物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于从含半纤维素的材料获得糖衍生物的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，已重新考虑可再生原材料。尝试由化石原材料转向可再生原材料作为能 源和化学产品的来源。可再生原材料（"nachwachsender Rohstoff" -在下面被缩写为 "Nawaro"）包括植物或动物起源的不被用作食品或饲料的农业和森林原材料。它可以材料 方式利用，而且还可以能量方式利用。Nawaro具有许多优点，例如保护仅以有限程度提供的 化石原材料、足够的可用性以及针对农业中的生产过剩开辟新市场。
[0003] 木质纤维素作为Nawaro的重要性正在增加（Kamm和Kamm2004,ApplMicrobiol Biotechnol. 64(2): 137-45)。它由3个不同的化学主要部分组成：纤维素，一种由葡萄糖 单元构成的C6聚合物；由不同的C5糖（例如，木糖）组成的半纤维素；和作为酚聚合物 的木质素。一种利用木质纤维素的可能性是气化，使得获得所谓的"合成气平台"。原材 料在氧气供应受限的情况下被燃烧以产生富含C02、CO、H2、014和N2的合成气体以及焦油 (Bridgwater, 2003)。合成气体然后可进而被用于例如通过费-托合成（Fischer-Tropsch synthesis)来产生燃料和化学品（Tijmensen等，2002)。第二种可能性是所谓的〃糖平台 〃。其中，木质纤维素首先被分解成3种主要的组分，那些组分然后被进一步转化成产品。木 糖可被转化成例如木糖醇或者糠醛。葡萄糖可用于发酵或被转化成羟甲基糠醛（HMF)。木 质素常常被用于产生能量或仅仅被燃烧（Saake和Lehnen, 2007,乌尔曼的工业化学百科全 书（Ullmann，sEncyclopediaofIndustrialChemistry) ?Wiley-VCHVerlagGmbH&Co)〇
[0004] 在木质纤维素内，所述糖以部分结晶的纤维素和包围所述纤维素的无定形半 纤维素的形式提供于紧密交联的聚合结构中。在细胞壁合成的过程中，空腔被木质 素填满，由此形成极紧密的复合物。所述结构的紧密性使例如纤维素酶或半纤维素 酶的酶不可能到达，由于它们相对高的分子量，因此它们不能进入孔中（Himmel等， 2007,Science. 315(5813) : 804-7)。因此，有必要在酶促处理前进行增加木质纤维素的孔隙 度的化学步骤。该步骤被称为"预处理"（消化）。在消化中，聚合木质纤维素基质被破坏， 由此暴露了纤维素纤维，使得它们变得对于酶可及。消化是被描述为生物精炼中最昂贵的 步骤之一的关键步骤（Mosier等，2005,BioresourTechnol. 96 (6) : 673-86)。另一方面，它 还对例如水解、发酵、下游过程的后续步骤以及还有源于所述过程的废物具有非常大的影 响（Alvira等，BioresourTechnol. 101 (13) :4851_61)〇
[0005] 已确定的消化方法的目的主要是液化半纤维素（例如，蒸汽爆破_、稀酸-预处 理）或通过液化木质素（例如，石灰_、氨-预处理）实现孔隙度的增加。那些方法表现出 一个严重缺点：它们是高耗能的，或者它们主要在略低于200°C的温度下进行。或者它们要 求昂贵地回收消化化学品。预处理的类型可在后续生物催化过程期间对酶活性和产率具有 强烈的影响。在高反应温度下，常常出现毒性分解产物（例如，糠醛），这在直接相关的乙醇 发酵的情况下可抑制酵母菌（Chandra等，2007,AdvBiochemEngBiotechnol. 108:67-93 ; Mansfield等，1999,Biotechnol Prog.15 (5) : 804-816) 〇
[0006] 作为半纤维素，木聚糖是非均质聚合物。半纤维素主要包含戊糖（C5)，例如D-木 糖和L-阿拉伯糖，但还包含己糖（C6)，例如D-葡萄糖、D-甘露糖和D-半乳糖以及还有 糖酸，例如葡糖醛酸和4-0-甲基-D-葡糖醛酸。半纤维素通常具有低于200的聚合度 (Jorgensen等，2007)。半纤维素以构成它们的糖（例如，麦秸中所含的阿拉伯葡糖醛酸 木聚糖）命名，所述麦秸由木糖主链组成并且含有阿拉伯糖和葡糖醛酸的侧链。另外， 木糖单元可分别被乙酸醋和阿魏酸或香豆酸醋化（Polizeli等，2005，ApplMicrobiol Biotechnol. 67 (5) : 577-91)。对于木聚糖的酶促降解来说，需要内切木聚糖酶、0 -木糖苷 酶、a_葡糖醛酸糖苷酶、a 阿拉伯呋喃糖苷酶（arabinofuranidase)和醋酶（Polizeli 等，2005,出处同上）。内切木聚糖酶分裂木聚糖主链中的糖苷键并且因此降低底物的聚合 度。主要水解产物是0-D-吡喃木糖基低聚物，但还有少量的单糖、二糖和三糖。木 糖苷酶将低聚木糖裂解成单体木糖。剩余的酶表现出抵抗侧链的活性并且将它们分离。 a-葡糖醛酸糖苷酶将葡糖醛酸残基从主链分离，a-L-阿拉伯呋喃糖苷酶分离阿拉伯糖 侧链。酯酶将木聚糖的酯键分裂成侧链，例如乙酸酯或对香豆酸或相应地阿魏酸（Collins 等，2005,FEMSMicrobiolRev. 29(1): 3-23)。侧链的分裂至关重要，使得内切木聚糖酶和 0 _木糖苷酶可完全分解木聚糖。
[0007] 木聚糖水解用于将糖聚合物裂解成糖低聚物或糖单体。其中，不同目标可有区别。 在一些应用中，合理的是将两种糖聚合物（纤维素和木糖）都裂解成单体。特别地，在从生 物质生产可发酵糖的情况下就是这样。然而，在其它应用中，纤维素应当作为聚合物保存， 但木聚糖应当被裂解成低聚物或单体。木聚糖水解可以化学方式或酶促方式发生。此外， 木聚糖水解可与木质纤维素材料的分离同时发生或在分开的步骤中发生。
[0008] 在US3,523,911中，描述了如下的化学方法，其中在100°C到150°C的温度下用酸 性蒸气处理生物质，所述酸性蒸气然后在冷凝期间将糖从所述材料中溶解出来。然而，在该 方法中，消耗了非常大量的酸，并且获得仅具有非常低浓度的木糖的水解产物。例如，如果 基于甘蔗渣的干物质15 %的木聚糖被水解，则水解产物将仅含有3 %的木糖，这可归因于 在所述过程期间吸收了大量的水。高的酸消耗和用于浓缩糖溶液的成本使得所述方法是无 利的。
[0009] 在US7, 932, 063中，描述了如下的方法，其中首先用含氨水溶液消化生物质。然 后使获得的产物与"糖化酶"（一种糖裂解酶）反应，以获得可发酵的糖。所述酶可包括若 干活性，例如糖苷酶、肽酶、脂肪酶、木质酶和酯酶。以这种方式，确保了，如果可能的话，存 在的全部糖聚合物都被分解成单体。因此，实现了高糖产率与高糖浓度的水解产物。缺点 是水解的非特异性。该方法不涉及仅裂解木质纤维素材料中的木聚糖同时保持纤维素作为 聚合物的可能性。
[0010] 在AT509 307A1中，描述了如下的方法，其中用碳水化合物裂解酶处理已通过碱 性醇溶液在低于100°c的温度下消化的生物质以获得糖单体。其中，如果使用纯的木聚糖酶 作为酶，则仅木聚糖被分解，而纤维素作为聚合物被保存。从木聚糖获得的木糖然后可被木 糖还原酶转化成木糖醇而无需从水解产物分离木糖。因此，从预处理的含半纤维素的生物 质获得高浓度的C5糖。然而，所述方法涉及以下缺点：来自水解的C5糖或者还原的后续产 物只有在经过巨大努力的情况下才可从反应溶液分离。可溶性木聚糖、低聚木糖和酶或蛋 白质